Modelowanie ludzkiego mózgu w warunkach laboratoryjnych pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej neurobiologii. Tradycyjne hodowle komórkowe, zwłaszcza w układach dwuwymiarowych, nie oddają złożonej architektury i interakcji zachodzących w tkance nerwowej. Nawet nowoczesne modele 3D często okazują się zbyt sztywne lub niestabilne, aby realistycznie odtworzyć środowisko komórek mózgowych. Naukowcy z Uniwersytetu w Kilonii (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel – CAU) opracowali jednak nowy materiał trójwymiarowy, który pozwala ludzkim komórkom mózgowym rosnąć, tworzyć sieci i komunikować się w warunkach znacznie bardziej zbliżonych do rzeczywistej fizjologii. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Chem & Bio Engineering.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Na czym polega nowy materiał 3D opracowany przez naukowców z Uniwersytetu w Kilonii i jak aerohydrożele umożliwiają komunikację komórek mózgowych w laboratorium.
- Dlaczego tradycyjne hodowle komórkowe mają ograniczenia i jak nowa technologia lepiej odtwarza środowisko mózgu.
- Jak astrocyty i mikroglej komunikują się w trójwymiarowym rusztowaniu oraz jak wpływa to na reakcje zapalne komórek.
- Dlaczego aerohydrożele mogą przyspieszyć badania nad chorobami neurologicznymi i ograniczyć eksperymenty na zwierzętach.
Problem z dotychczasowymi modelami hodowli komórkowych
W badaniach nad mózgiem niezwykle ważne jest odtworzenie środowiska, w którym komórki mogą wchodzić w interakcje przestrzenne i molekularne. Dotychczas stosowane systemy hodowli komórkowych mają jednak istotne ograniczenia. W modelach 2D komórki rosną na płaskiej powierzchni, co znacząco zmienia sposób ich organizacji i komunikacji. Z kolei standardowe systemy 3D, wykorzystujące różnego rodzaju rusztowania biologiczne lub syntetyczne, często wykazują problemy ze stabilnością strukturalną. Niektóre materiały ulegają degradacji już po kilku dniach, inne mają ograniczoną możliwość regulacji parametrów takich jak porowatość czy sztywność.
W efekcie naukowcy od lat poszukują materiałów, które pozwolą jednocześnie zapewnić stabilność struktury oraz realistyczne warunki wzrostu komórek nerwowych.
Aerohydrożele – ultralekkie rusztowanie dla komórek mózgu
Odpowiedzią na te wyzwania mogą być tzw. aerohydrożele, opracowane przez interdyscyplinarny zespół badawczy kierowany przez dr. Stefana Schrödera z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu w Kilonii. Nowy materiał stanowi ultralekkie, trójwymiarowe rusztowanie zbudowane z pustych włókien hydrożelowych. Struktura ta zapewnia komórkom mózgowym stabilne środowisko wzrostu, a jednocześnie umożliwia swobodną dyfuzję składników odżywczych oraz cząsteczek sygnałowych.
Podstawą konstrukcji są tetrapodalne kryształy tlenku cynku (t-ZnO), które początkowo tworzą przestrzenny szkielet materiału. Następnie struktura ta zostaje pokryta ultracienką warstwą hydrożelu przy użyciu technologii inicjowanego osadzania chemicznego z fazy gazowej (iCVD). W kolejnym etapie tlenek cynku jest usuwany, pozostawiając jedynie ultralekką sieć hydrożelową o wysokiej stabilności mechanicznej.
Materiał imitujący środowisko mózgu
Jedną z najważniejszych cech aerohydrożeli jest możliwość bardzo precyzyjnego kontrolowania właściwości materiału. Jak wyjaśnia profesor Rainer Adelung, współautor badania:
Nasze aerohydrożele imitują przestrzeń pozakomórkową w mózgu. Naukowiec dodaje: możemy precyzyjnie dostroić właściwości mechaniczne, takie jak sztywność i rozmiar porów. W przyszłości pozwoli nam to dostosować rusztowania do różnych rodzajów tkanek – na przykład tkanka serca jest znacznie sztywniejsza niż tkanka mózgu, a aerohydrożele mogą uwzględniać te różnice.
Co istotne, w przeciwieństwie do wielu wcześniejszych materiałów, parametry takie jak porowatość, sztywność oraz właściwości chemiczne powierzchni mogą być regulowane niezależnie. Dzięki temu materiał można dopasować do potrzeb konkretnych typów komórek.
Komórki mózgowe tworzą sieci w rusztowaniu 3D
W badaniu naukowcy wykorzystali ludzkie komórki mózgowe – astrocyty oraz mikroglej. Astrocyty pełnią kluczową rolę w utrzymaniu prawidłowego funkcjonowania tkanki nerwowej, natomiast mikroglej działa jako element układu odpornościowego mózgu, reagując na infekcje i uszkodzenia.
Aby sprawdzić, czy komórki mogą komunikować się w nowym środowisku, badacze zastosowali klasyczny model zapalenia wykorzystujący lipopolisacharyd (LPS) – związek bakteryjny wywołujący reakcję zapalną. Dr Luise Schlotterose z Uniwersytetu Oksfordzkiego wraz z zespołem analizowała następnie zmiany ekspresji genów odpowiedzialnych za produkcję cząsteczek sygnałowych związanych z reakcją zapalną.
Komórki komunikują się nawet bez bezpośredniego kontaktu
Wyniki eksperymentów pokazały interesujące zjawisko. Mikroglej hodowany samodzielnie reagował inaczej niż komórki hodowane w obecności astrocytów. Gdy oba typy komórek znajdowały się w tym samym rusztowaniu 3D, część reakcji zapalnych mikrogleju była wyraźnie osłabiona. Oznacza to, że komórki komunikowały się ze sobą poprzez cząsteczki sygnałowe dyfundujące w strukturze hydrożelu – nawet wtedy, gdy nie miały bezpośredniego kontaktu.
Takie zjawisko jest charakterystyczne dla rzeczywistych procesów zachodzących w mózgu i dotychczas trudno było je odtworzyć w modelach laboratoryjnych.
Nowe możliwości badań nad chorobami neurologicznymi
Nowy materiał otwiera szerokie możliwości dla badań nad funkcjonowaniem układu nerwowego. Dzięki aerohydrożelom naukowcy mogą obserwować procesy neuronalne, komunikację między komórkami oraz reakcje zapalne w warunkach znacznie bliższych naturalnej fizjologii. Takie modele mogą być szczególnie przydatne w badaniach nad chorobami neurologicznymi, w tym:
- chorobą Alzheimera,
- chorobą Parkinsona,
- stwardnieniem rozsianym,
- neurozapaleniem.
Precyzyjne odtwarzanie środowiska mózgu w laboratorium może również przyspieszyć testowanie nowych terapii oraz lepiej wyjaśnić mechanizmy chorób neurodegeneracyjnych.
Potencjał dla medycyny regeneracyjnej
Aerohydrożele mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w badaniach podstawowych, lecz także w medycynie regeneracyjnej. W przyszłości tego typu rusztowania mogą być wykorzystywane do:
- hodowli tkanek nerwowych w laboratorium,
- testowania nowych leków,
- tworzenia modeli chorób,
- odtwarzania uszkodzonych fragmentów tkanki.
Dodatkową korzyścią jest możliwość ograniczenia liczby eksperymentów na zwierzętach, ponieważ bardziej realistyczne modele komórkowe pozwalają prowadzić zaawansowane badania bezpośrednio in vitro.
Technologia z potencjałem komercyjnym
Technologia opracowana na Uniwersytecie w Kilonii ma również potencjał komercyjny. Naukowcy wykorzystują metodę powlekania iCVD w startupie założonym przez Stefana Schrödera oraz pierwszego autora pracy, Torge Hartiga. W przyszłości firma mogłaby wprowadzić na rynek trójwymiarowe rusztowania komórkowe przeznaczone dla laboratoriów badawczych i przemysłu biotechnologicznego.
Takie rozwiązania mogłyby znacząco przyspieszyć rozwój badań nad układem nerwowym oraz nowych terapii neurologicznych.
Główne wnioski
- Naukowcy z Uniwersytetu w Kilonii opracowali aerohydrożele – ultralekkie rusztowania 3D z pustych włókien hydrożelowych, które umożliwiają realistyczną hodowlę ludzkich komórek mózgowych w laboratorium.
- Nowy materiał pozwala niezależnie kontrolować sztywność, wielkość porów i właściwości chemiczne powierzchni, co stanowi istotną przewagę nad wieloma dotychczas stosowanymi rusztowaniami komórkowymi.
- Eksperymenty wykazały, że mikroglej reaguje inaczej w obecności astrocytów, co potwierdza możliwość komunikacji komórkowej poprzez cząsteczki sygnałowe w strukturze aerohydrożelu.
- Technologia może przyspieszyć badania nad chorobami neurologicznymi, umożliwić bardziej realistyczne modele tkanki mózgowej oraz ograniczyć potrzebę prowadzenia eksperymentów na zwierzętach.
Źródło:
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cbe.5c00104
- Kiel University
